লো-সোয়াপ হার্ডওয়্যার ব্যবহার করে উচ্চ-সংবেদনশীল ফ্রি-স্পেস অপটিক্যাল কমিউনিকেশন

সংক্ষিপ্ত বিবরণ

এই গবেষণাটি অত্যন্ত সমন্বিত, কম আকার, ওজন এবং বিদ্যুৎ (সোয়াপ) হার্ডওয়্যারের সুবিধা নিয়ে একটি ব্যবহারিক ফ্রি-স্পেস অপটিক্যাল (এফএসও) কমিউনিকেশন লিঙ্ক প্রদর্শন করে। সিস্টেমটি একটি গ্যালিয়াম নাইট্রাইড (জিএএন) মাইক্রো-এলইডি ট্রান্সমিটার, যা একটি সিএমওএস ড্রাইভার দ্বারা নিয়ন্ত্রিত, এর সাথে একটি রিসিভারকে একত্রিত করে যা সিএমওএস-ইন্টিগ্রেটেড সিঙ্গল-ফোটন অ্যাভালাঞ্চ ডায়োড (এসপিএডি) অ্যারের উপর ভিত্তি করে তৈরি। একটি সরল রিটার্ন-টু-জিরো অন-অফ কীং (আরজেড-ওওকে) মড্যুলেশন স্কিম ব্যবহার করে, এই লিঙ্কটি মোট ৫.৫ ওয়াটের কম বিদ্যুৎ খরচ করে ১০০ এমবি/সি ডেটা রেট অর্জন করে যার রিসিভার সংবেদনশীলতা -৫৫.২ ডিবিএম (প্রতি বিটে ~৭.৫টি শনাক্তকৃত ফোটনের সমতুল্য)। এটি সীমিত পরিবেশের জন্য মোতায়েনযোগ্য, উচ্চ-কার্যকারিতার অপটিক্যাল কমিউনিকেশন সিস্টেমের দিকে একটি উল্লেখযোগ্য পদক্ষেপ।

1. ভূমিকা

ফ্রি-স্পেস অপটিক্যাল কমিউনিকেশন উচ্চ ব্যান্ডউইথের সম্ভাবনা প্রদান করে কিন্তু প্রায়শই বাহুল্যপূর্ণ, উচ্চ-বিদ্যুৎখর সরঞ্জাম যেমন এক্সটার্নাল মডুলেটর-চালিত লেজার এবং ক্রায়োজেনিক রিসিভারের উপর নির্ভর করে। ক্ষুদ্র উপগ্রহ (কিউবস্যাট), মনুষ্যবিহীন আকাশযান (ইউএভি) এবং বহনযোগ্য গ্রাউন্ড টার্মিনালে প্রয়োগের চাহিদা লো-সোয়াপ হার্ডওয়্যারের দিকে একটি দৃষ্টান্ত পরিবর্তনের প্রয়োজনীয়তা তৈরি করে। এই গবেষণাপত্রটি দুটি মূল সিএমওএস-সামঞ্জস্যপূর্ণ প্রযুক্তির ব্যবহার করে এই প্রয়োজনীয়তা মেটায়: ট্রান্সমিশনের জন্য উচ্চ-ব্যান্ডউইথ মাইক্রো-এলইডি এবং অতিসংবেদনশীল রিসেপশনের জন্য এসপিএডি অ্যারে। উভয় উপাদানকে কমপ্যাক্ট, ডিজিটালি-ইন্টারফেসড সিস্টেমে একীভূত করাই মূল উদ্ভাবন, যা বেঞ্চটপ প্রদর্শনীর বাইরে গিয়ে ব্যবহারিক বাস্তবায়নের দিকে এগিয়ে নিয়ে যায়।

2. পদ্ধতি ও সিস্টেম আর্কিটেকচার

এই কমিউনিকেশন সিস্টেমটি দুটি সমন্বিত সাবসিস্টেম থেকে তৈরি: একটি ট্রান্সমিটার এবং একটি রিসিভার, উভয়ই ন্যূনতম সোয়াপের জন্য ডিজাইন করা।

3. পরীক্ষামূলক ফলাফল ও কার্যকারিতা

4. প্রযুক্তিগত বিশ্লেষণ ও মূল অন্তর্দৃষ্টি

মূল অন্তর্দৃষ্টি: এই গবেষণাপত্রটি বিশুদ্ধ সংবেদনশীলতার রেকর্ড ভাঙার বিষয়ে নয়; এটি ব্যবহারিক সিস্টেম ইঞ্জিনিয়ারিং এর একটি মাস্টারক্লাস। আসল সাফল্য হল এই প্রমাণ করা যে একটি অত্যন্ত সরল, ডিজিটালি-নেটিভ এবং অত্যন্ত কম-বিদ্যুৎখর (<৫.৫W) বক্স থেকে নিকট-কোয়ান্টাম-সীমিত সংবেদনশীলতা (-৫৫.২ ডিবিএম @ ১০০ এমবি/সি) আহরণ করা সম্ভব। অন্যরা তরল হিলিয়াম এবং জটিল ডিএসপি ব্যবহার করে এসকিউএলের কাছাকাছি ডিবি অর্জনের পিছনে ছুটছে, গ্রিফিথস এবং সহকর্মীরা জিজ্ঞাসা করেন: "একটি -৭০ ডিবিএম লিঙ্কের কী লাভ যদি এটি বহন করার জন্য একটি ট্রাকের প্রয়োজন হয়?" তাদের উত্তরটি একটি মাইক্রো-এলইডি এবং এসপিএডি অ্যারে সরাসরি সিএমওএস-এ ইন্টিগ্রেট করে, যা একটি ল্যাব কৌতূহল ছিল তাকে কিউবস্যাট এবং ড্রোনের মতো সোয়াপ-সীমিত প্ল্যাটফর্মের জন্য একটি মোতায়েনযোগ্য সম্পদে পরিণত করে।

যুক্তিগত প্রবাহ: যুক্তিটি অত্যন্ত সুন্দরভাবে রৈখিক। ১) উচ্চ-সংবেদনশীল এফএসও বিদ্যমান কিন্তু বাহুল্যপূর্ণ, উচ্চ-বিদ্যুৎখর হার্ডওয়্যারের উপর নির্ভর করে (সমস্যা বিবৃতি)। ২) দুটি সিএমওএস-সামঞ্জস্যপূর্ণ প্রযুক্তি—মাইক্রো-এলইডি (দ্রুত, ইন্টিগ্রেটেবল ট্রান্সমিটার) এবং এসপিএডি অ্যারে (সিঙ্গল-ফোটন সংবেদনশীল, ইন্টিগ্রেটেবল রিসিভার)—সমাধান হিসাবে চিহ্নিত করা হয়। ৩) জটিল, উচ্চ-বিদ্যুৎখর কোডিং এড়াতে সম্ভাব্য সরলতম মড্যুলেশন (আরজেড-ওওকে) ব্যবহার করে এগুলিকে একটি ন্যূনতম সিস্টেমে একীভূত করুন। ৪) পরিমাপ করুন: ডেটা একই সাথে উচ্চ সংবেদনশীলতা এবং কম বিদ্যুৎ খরচ দেখায়। যুক্তিটি প্রমাণ করে যে ইন্টিগ্রেশন + সরলতা = ব্যবহারিক উচ্চ কার্যকারিতা।

শক্তি ও ত্রুটি: শক্তি অত্যন্ত স্পষ্ট: প্রদর্শিত সিস্টেম-লেভেল সোয়াপ দক্ষতা যা একাডেমিক ফোটোনিক্স গবেষণাপত্রে খুব কমই পরিমাপ করা হয়, অর্জন করা তো দূরের কথা। এসপিএডি ডেড-টাইম সমস্যা প্রশমিত করার জন্য আরজেড-ওওকে পছন্দটি চতুর। তবে, সেই সরলতার জন্য করা বিনিময়টিই এর ত্রুটি। ১০০ এমবি/সি রেটটি মাঝারি, এবং এসকিউএল থেকে ১৮.৫ ডিবি ব্যবধান উল্লেখযোগ্য। D. Chitnis and S. Collins, "A SPAD-based photon detecting system for optical communications," JLT 2014 এর মতো মৌলিক এসপিএডি কমিউনিকেশন কাজে উল্লিখিত হয়েছে, উন্নত মড্যুলেশন (যেমন, পিপিএম) এবং ফরোয়ার্ড এরর সংশোধন এই ব্যবধানের বেশিরভাগ অংশ বন্ধ করতে পারে। গবেষণাপত্রটি এটি স্বীকার করে কিন্তু ভবিষ্যতের কাজের জন্য রেখে দেয়, যা এর সর্বোত্তমতার দাবিকে কিছুটা দুর্বল করে।

কার্যকরী অন্তর্দৃষ্টি: শিল্পের জন্য, এটি একটি নকশা: অতিরিক্ত ডিজাইন করা বন্ধ করুন। গভীরভাবে সমন্বিত ফোটোনিক-ইলেকট্রনিক কোর (সিএমওএস আপনার বন্ধু) দিয়ে শুরু করুন এবং শুধুমাত্র জটিলতা (মড্যুলেশন, কোডিং) যোগ করুন যদি সরল সমাধান ব্যর্থ হয়। <৫.৫W বিদ্যুৎ বাজেট হল পরবর্তী প্রজন্মের পণ্য ব্যবস্থাপকদের পরাজিত করার সংখ্যা। গবেষকদের জন্য, পথটি স্পষ্ট। পরবর্তী গবেষণাপত্রটিকে অন-চিপ কোডিং এবং প্রসেসিং ব্যবহার করে সংবেদনশীলতার ব্যবধান পূরণ করতে হবে। কম-বিদ্যুৎখর সিএমওএস লজিক কি এলডিপিসির মতো নিকট-ক্ষমতা কোড বাস্তবায়ন করে সেই ১৮ ডিবি পুনরুদ্ধার করতে পারে? ৬জি ব্যাকহল বা স্যাটেলাইট কনস্টেলেশনে এই প্রযুক্তিকে প্রাধান্য দেওয়ার জন্য, বিশেষ প্রয়োগের বাইরে যাওয়ার জন্য, এটি বিলিয়ন-ডলারের প্রশ্ন।

5. বিশ্লেষণ কাঠামো ও উদাহরণ কেস

কাঠামো: সোয়াপ-সীমিত সিস্টেম ডিজাইন ট্রেড-অফ ম্যাট্রিক্স

এই কেসটি এম্বেডেড ফোটোনিক সিস্টেমের জন্য একটি কাঠামোগত ট্রেড-অফ বিশ্লেষণের উদাহরণ দেয়। কাঠামোটি সীমাবদ্ধতাগুলিকে অগ্রাধিকার দেয় এবং ইচ্ছাকৃত ত্যাগ স্বীকার করে।

1. প্রাথমিক সীমাবদ্ধতা চিহ্নিতকরণ: সোয়াপ সর্বাধিক গুরুত্বপূর্ণ। এটি অবিলম্বে উচ্চ-বিদ্যুৎখর লেজার, এক্সটার্নাল মডুলেটর, ক্রায়োজেনিক্স এবং বাহুল্যপূর্ণ বিচ্ছিন্ন অপটিক্স বাতিল করে দেয়।
2. প্রযুক্তি নির্বাচন ("কী"): প্রয়োজনীয় কার্যাবলী (উচ্চ-গতি নির্গমন, সিঙ্গল-ফোটন শনাক্তকরণ) সবচেয়ে সোয়াপ-দক্ষ, ইন্টিগ্রেটেবল প্রযুক্তির সাথে ম্যাপ করুন: মাইক্রো-এলইডি এবং সিএমওএস এসপিএডি।
3. জটিলতা হ্রাসকরণ ("কীভাবে"): মূল কার্যকারিতা স্পেসিফিকেশন পূরণ করে এমন সরলতম অ্যালগরিদম/মড্যুলেশন নির্বাচন করুন। এখানে, লক্ষ্য ডেটা রেটে (১০০ এমবি/সি) সর্বাধিক সংবেদনশীলতা, সর্বাধিক বর্ণালী দক্ষতা নয়। তাই, জটিল এম-কিউএএম বাতিল করে সরল আরজেড-ওওকে পছন্দ করা হয়েছে।
4. ইন্টিগ্রেশন পয়েন্ট সংজ্ঞায়ন: সেই সীমানা সংজ্ঞায়িত করুন যেখানে বিদ্যুৎ সাশ্রয়ের জন্য কাস্টম হার্ডওয়্যারকে সফ্টওয়্যার থেকে দায়িত্ব নিতে হবে। এখানে, ফোটন কাউন্টিং এবং মৌলিক থ্রেশহোল্ডিং সিএমওএস এসপিএডি অ্যারের ডেডিকেটেড সার্কিট্রিতে স্থানান্তরিত করা হয়েছে।
5. মেট্রিক বৈধতা: একটি উপ-উপাদানের সর্বোত্তম কার্যকারিতা নয়, বরং সম্পূর্ণ সিস্টেম কে সমস্ত প্রাথমিক সীমাবদ্ধতার (সংবেদনশীলতা: -৫৫.২ ডিবিএম, বিদ্যুৎ: <৫.৫W, ডেটা রেট: ১০০ এমবি/সি) বিরুদ্ধে পরিমাপ করুন।

কেস প্রয়োগ: লেখকরা এই কাঠামোটি নিখুঁতভাবে প্রয়োগ করেছেন। তারা বর্ণালী দক্ষতা এবং চূড়ান্ত সংবেদনশীলতা (এসকিউএল থেকে ১৮.৫ ডিবি ব্যবধান মেনে নিয়ে) ত্যাগ করেছেন প্রাথমিক সীমাবদ্ধতা বিদ্যুৎ এবং ইন্টিগ্রেটেবিলিটিতে জয়লাভের জন্য। একটি বিপরীত ব্যর্থ পদ্ধতি হবে একটি উচ্চ-সংবেদনশীল সুপারকন্ডাক্টিং ন্যানোওয়্যার সিঙ্গল-ফোটন ডিটেক্টর (এসএনএসপিডি) নেওয়া এবং এর ক্রায়োকুলার মিনিয়েচারাইজ করার চেষ্টা করা—যা পদার্থবিজ্ঞানের বিরুদ্ধে লড়াই। এই গবেষণাপত্রের সাফল্য সিএমওএস দিয়ে জয়ী হতে পারে এমন যুদ্ধ বেছে নেওয়ার মধ্যে নিহিত।

6. ভবিষ্যতের প্রয়োগ ও উন্নয়নের দিকনির্দেশনা

প্রদর্শিত প্রযুক্তি বেশ কয়েকটি গুরুত্বপূর্ণ প্রয়োগের ক্ষেত্রের দরজা খুলে দেয় এবং বিবর্তনের জন্য স্পষ্ট পথের পরামর্শ দেয়।

• কিউবস্যাট ও ক্ষুদ্র উপগ্রহ কনস্টেলেশন: চূড়ান্ত লো-সোয়াপ পরিবেশ। এই ধরনের লিঙ্কগুলি মেগা-কনস্টেলেশনের জন্য উচ্চ-গতির আন্তঃ-উপগ্রহ লিঙ্ক (আইএসএল) সক্ষম করতে পারে, বর্ণালী সীমাবদ্ধতা সহ আরএফ-এর উপর নির্ভরতা হ্রাস করতে পারে। স্পেসএক্স (স্টারলিংক) এবং প্ল্যানেট ল্যাবসের মতো কোম্পানিগুলি সম্ভাব্য শেষ-ব্যবহারকারী।
• মনুষ্যবিহীন আকাশযান (ইউএভি) ঝাঁক: সমন্বিত মিশনের জন্য ড্রোনগুলির মধ্যে নিরাপদ, উচ্চ-ব্যান্ডউইথ যোগাযোগ, শনাক্তযোগ্য আরএফ নির্গমন ছাড়াই।
• শেষ-মাইল গ্রাউন্ড কমিউনিকেশন: দুর্যোগ পুনরুদ্ধার বা সামরিক অভিযানে, অস্থায়ী নোডগুলির মধ্যে উচ্চ-ব্যান্ডউইথ লিঙ্কের দ্রুত মোতায়েন।
• ভবিষ্যতের উন্নয়নের দিকনির্দেশনা:
  1. অন-চিপ কোডিং ও ডিএসপি: উন্নত ফরোয়ার্ড এরর সংশোধন (যেমন, এলডিপিসি, পোলার কোড) এবং শনাক্তকরণ অ্যালগরিদম সরাসরি রিসিভার সিএমওএস-এ ইন্টিগ্রেট করা যাতে বিদ্যুৎ বা আকার উল্লেখযোগ্যভাবে বৃদ্ধি না করে সংবেদনশীলতার ব্যবধান এসকিউএল-এ বন্ধ হয়।
  2. তরঙ্গদৈর্ঘ্য স্কেলিং: ৬৩৫ এনএম থেকে টেলিকম তরঙ্গদৈর্ঘ্যে (১৫৫০ এনএম) স্থানান্তর করা উন্নত বায়ুমণ্ডলীয় ট্রান্সমিশন এবং চোখের নিরাপত্তার জন্য, ইনগাআএস/ইনপি এসপিএডির মতো উপকরণ ব্যবহার করে (যদিও সিএমওএসের সাথে ইন্টিগ্রেশন আরও চ্যালেঞ্জিং)।
  3. বীম স্টিয়ারিং ও ট্র্যাকিং ইন্টিগ্রেশন: গতিশীল এফএসও লিঙ্কে শক্তিশালী অ্যালাইনমেন্টের জন্য একই প্যাকেজে মাইক্রো-ইলেক্ট্রো-মেকানিক্যাল সিস্টেমস (এমইএমএস) মিরর বা লিকুইড ক্রিস্টাল-ভিত্তিক বীম স্টিয়ারার অন্তর্ভুক্ত করা, যা মোবাইল প্ল্যাটফর্মের জন্য একটি গুরুত্বপূর্ণ পদক্ষেপ।
  4. নেটওয়ার্ক প্রোটোটাইপিং: পয়েন্ট-টু-পয়েন্ট লিঙ্ক থেকে এই লো-সোয়াপ নোডগুলির ছোট, অ্যাড-হক নেটওয়ার্ক প্রদর্শনের দিকে যাওয়া, প্রোটোকল এবং নেটওয়ার্ক ব্যবস্থাপনা সম্বোধন করা।

7. তথ্যসূত্র

1. Griffiths, A. D., Herrnsdorf, J., Almer, O., Henderson, R. K., Strain, M. J., & Dawson, M. D. (2019). High-sensitivity free space optical communications using low size, weight and power hardware. arXiv preprint arXiv:1902.00495.
2. Chitnis, D., & Collins, S. (2014). A SPAD-based photon detecting system for optical communications. Journal of Lightwave Technology, 32(10), 2028-2034.
3. Kahn, J. M., & Barry, J. R. (1997). Wireless infrared communications. Proceedings of the IEEE, 85(2), 265-298.
4. DARPA. (n.d.). Direct On-chip Digital Optical Synthesizer (DODOS) Program. Retrieved from https://www.darpa.mil/program/direct-on-chip-digital-optical-synthesizer
5. NASA. (2020). Optical Communications and Sensor Demonstration (OCSD). Retrieved from https://www.nasa.gov/smallsat-institute/sst-soa/communications
6. Richardson, D. J., Fini, J. M., & Nelson, L. E. (2013). Space-division multiplexing in optical fibres. Nature Photonics, 7(5), 354-362.